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KDP晶体精密切割与磨削工艺的研究

作　者: 王强国
导　师: 高航
学　校: 大连理工大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 精密磨削金刚石线锯切割单颗粒磨削旋转超声磨削 KDP晶体
分类号: TG580.6
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

KDP(磷酸二氢钾,KH2PO4)晶体具有较大的电光和非线性光学系数、高的激光损伤阈值、低的光学吸收系数、高的光学均匀性和良好的透过波段等特点,成为制造惯性约束核聚变(ICF)装置中唯一可以用作激光倍频和电光开关的关键非线性光学材料。由于KDP晶体具有软且脆、易潮解、各向异性等特性,是目前公认的难加工材料之一。KDP晶体的加工通常包括切割、单点金刚石切削、磨削、磁流变抛光等。当前国内单点金刚石切削、磁流变抛光等超精密加工方式存在诸如小尺度波纹度、塌边、效率较低的特点；大尺寸晶体切割缺乏有效方法,所采用的带锯切割存在工件切口大、边缘易破损等质量问题,甚至大块晶体切割过程意外炸裂等灾难性隐患。探索和研究KDP晶体的精密切割和磨削工艺,对于解决当前制约我国KDP晶体加工过程存在的技术难题具有重要的现实意义和应用价值。论文首先针对现有基于钢带锯和电镀金刚石带锯的大尺寸KDP晶体切割工艺存在的问题,开展了金刚石线锯低应力切割KDP晶体方法的试验研究,研究了线锯切割工艺参数对诸如表面粗糙度Ra、平面度、平行度、亚表面损伤等的影响,对比分析了不同工艺方法对KDP晶体切割表面质量及亚表面损伤的影响,探讨了低应力线锯切割KDP晶体材料的去除机理和损伤形式,给出了低应力线锯切割KDP晶体的最大亚表面损伤深度及后续加工余量,提出了一种金刚石线锯低应力精密切割过程实时纠偏方案,实现了390mm切宽5mm厚度KDP晶体的低应力精密切割。通过单点划痕试验研究KDP晶体不同晶向表面、亚表面裂纹扩展情况及亚表面损伤深度,得到KDP晶体的各向异性特性对材料加工表面、亚表面的破坏形式以及亚表面损伤深度的影响；通过单颗金刚石磨粒磨削试验,研究不同磨削形式、切深和磨粒速度对KDP晶体材料去除形式的影响。为后续KDP晶体固结磨粒加工(切/磨)工艺参数试验,表面形貌、亚表面损伤分析及去除机理分析提供依据。开展了KDP晶体精密磨削加工方法的探索性研究。进行了磨削方式、砂轮性能、磨削参数等对表面质量、亚表面损伤、磨削力、磨削温升的影响的理论分析与试验研究,比较了旋转超声磨削和传统磨削对材料加工质量(粗糙度、表面形貌、亚表面损伤等)的影响规律,分析了材料的各向异性对加工的影响,探讨了KDP晶体磨削的材料去除机理,为今后进一步开展KDP晶体等各向异性材料的高效低损伤表面精密磨削奠定了良好的基础。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
1 绪论  10-27
  1.1 KDP晶体性质及应用  10-16
  1.2 脆性材料切割技术  16-18
    1.2.1 内圆切割  16
    1.2.2 线锯切割  16-18
  1.3 KDP晶体精密加工研究现状  18-25
    1.3.1 超精密磨削  18-20
    1.3.2 单点金刚石车削(SPDT)  20
    1.3.3 单点金刚石飞切  20-22
    1.3.4 超精密抛光  22-24
    1.3.5 磁流变抛光  24-25
  1.4 课题来源,研究目的与意义  25
  1.5 论文主要研究内容  25-27
2 KDP晶体金刚石线锯切割方法的研究  27-55
  2.1 线锯切割试验条件及特性分析  27-30
  2.2 基于往复式线锯切割机床的切割试验研究  30-33
    2.2.1 切割参数对表面粗糙度影响试验  30-32
    2.2.2 切割参数对平面精度影响试验  32-33
  2.3 基于连续式线锯切割机床的切割试验研究  33-37
    2.3.1 切割参数对表面粗糙度影响试验  33-35
    2.3.2 切割参数对平面精度影响试验  35-37
    2.3.3 切割参数对切割效率的影响  37
  2.4 金刚石线锯低应力切割材料损伤机理研究  37-46
    2.4.1 往复式线锯切割面表面形貌及材料去除机理分析  37-40
    2.4.2 往复式线锯切割工件亚表面损伤检测  40-43
    2.4.3 连续式线锯切割面表面形貌及材料去除机理分析  43-45
    2.4.4 连续式线锯切割工件亚表面损伤检测  45-46
  2.5 金刚石线锯精密切割实时纠偏系统的设计  46-53
  2.6 本章小结  53-55
3 KDP晶体划痕/单颗粒磨削试验及材料去除机理研究  55-76
  3.1 KDP晶体单点划痕试验  56-62
    3.1.1 试验条件  56
    3.1.2 划痕表面形貌  56-58
    3.1.3 划痕亚表面损伤形式及损伤深度  58-62
  3.2 基于卧式矩台平面磨床的单颗粒磨削试验  62-67
    3.2.1 试验条件  62-64
    3.2.2 磨粒切深对表面裂纹扩展的影响  64-66
    3.2.3 矩台平面磨床单颗粒磨削磨屑形态  66-67
  3.3 基于飞切原理的单颗粒磨削试验  67-75
    3.3.1 飞切原理单颗粒磨削磨痕形态  68-70
    3.3.2 不同磨削速度对磨屑形态的影响  70-75
  3.4 本章小结  75-76
4 KDP晶体精密磨削工艺试验  76-123
  4.1 卧式周边精密磨削试验  76-98
    4.1.1 试验条件  76-78
    4.1.2 磨削力影响试验  78-82
    4.1.3 试验条件对磨削温升的影响  82-87
    4.1.4 磨削温升场仿真计算  87-95
    4.1.5 KDP晶体磨削参数对表面形貌的影响  95-98
  4.2 工件自旋转立式端面精密磨削试验  98-108
    4.2.1 工件自旋转磨削原理与试验条件  99-103
    4.2.2 工艺参数对表面质量和消耗功率的影响分析  103-108
  4.3 KDP晶体旋转超声磨削研究  108-121
    4.3.1 试验条件及试验设计  108-110
    4.3.2 超声振动对磨削力与崩边的影响  110-111
    4.3.3 磨削参数对粗糙度(Ra)的影响  111-117
    4.3.4 旋转超声磨削表面形貌及亚表面损伤分析  117-121
  4.4 本章小结  121-123
5 KDP晶体磨削表面形貌及亚表面损伤研究  123-141
  5.1 卧式周边精密磨削表面形貌及亚表面损伤  123-134
    5.1.1 磨削表层形貌分析  123-129
    5.1.2 磨削亚表面损伤检测及分析  129-134
  5.2 工件自旋转立式端面精密磨削表面形貌及亚表面损伤  134-140
    5.2.1 磨削表面形貌分析  134-136
    5.2.2 磨削亚表面损伤检测与分析  136-140
  5.3 本章小结  140-141
结论  141-144
参考文献  144-149
创新点摘要  149-150
攻读博士学位期间发表学术论文情况  150-151
致谢  151-152
作者简介  152-154

KDP晶体精密切割与磨削工艺的研究

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